基于改進沖擊回波法的裝配式混凝土橋墩套筒灌漿檢測理論研究

包龍生,陶天陽,劉 杰,于 玲

(沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168)

預制混凝土結構鋼筋連接中的鋼套灌漿縫是我國預制混凝土結構常用的接頭方法。注漿的質量好壞直接決定裝配結構的質量安全。檢測和評價裝配式混凝土結構的注漿質量主要有X射線法、探地雷達法、超聲波法和沖擊回波法[1-5]。沖擊回波法在混凝土結構無損檢測中應用廣泛，而預制鋼筋混凝土結構套縫灌漿的壓實研究僅限于較薄的剪力墻等結構[6-7]。大體積結構套筒節(jié)點的檢測特別是裝配式混凝土橋墩，由于橋墩的體積大，厚度大，而進行沖擊回波法檢測時往往只能選取一個端面，套筒內灌漿缺陷界面只存在于混凝土結構內部，因此回波信號較弱[8-13]。筆者利用基礎理論和實踐方法，控制飽和沖擊回波中注入孔預應力，研究傳播節(jié)點回波特征的預制混凝土樁，提出提高套筒灌漿飽滿度檢測精度的方法。

1 沖擊回波法原理

沖擊回波法應用過程:①在混凝土表面產(chǎn)生彈性力波，筆者采用鋼球撞擊混凝土表面，使彈性力波傳播到內部缺陷或結構達到極限時，混凝土內部的彈性波反射回來，在混凝土表面撞擊點附近引起質點的振動[14-18]。②用位移傳感器記錄質點振動時間曲線。③在對記錄的信號進行分析時采用時域或頻域分析法，確定混凝土結構的完整性和缺陷的位置[19-22]。

根據(jù)沖擊回波理論，彈性波的理論傳播速度Vp為

式中：E為材料的彈性模量，GPa；μ為泊松比；ρ為密度，kg/m3。

彈性波在板內一個來回的傳播時間Δt為

沖擊回波的厚度頻率f為周期Δt的倒數(shù)，代入式(2)，即得到?jīng)_擊回波的板厚頻率：

式中：f為板底反射的優(yōu)良振動所對應的頻率(也稱板厚頻率)，Hz；Vp,plate為P縱波在混凝土中的傳播速度m/s，也稱P縱波速度，m/s；T為板的厚度，m。

當位置低于一個缺陷結構的影響時，如不完全灌漿，進入混凝土的彈性波，反映缺陷的一部分和衍射混凝土的一部分，可以通過分析缺陷頻率和厚度來評估[13-24]。

2 有限元模擬

2.1 設計模型參數(shù)

筆者采用有限元ABAQUS建立模型，分析發(fā)現(xiàn)沖擊回波使得混凝土表面產(chǎn)生一個彈性力波，其彈性波的能量很小，結構產(chǎn)生的沖擊響應也很小。由于彈性波的實際頻率較低，且波會增長，材料的性能如表1所示。

表1 材料性能Table 1 Material performance parameters

圖1為混凝土橋墩的1/2三維實體單元模擬計算模型，混凝土橋墩模型長寬高(a×b×c)為2 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，套筒內徑D為90 mm，長為800 mm，圖中的Ⅰ代表模型的側邊，Ⅱ則代表對邊。

圖1 1/2計算模擬圖像Fig.1 1/2 Schematic diagram of calculation model

沖擊荷載的沖擊作用持續(xù)時間可表示為

式中：tc為接觸時間，μs；D為鋼球直徑，m；h為鋼球落距，m。

模擬測試采用的是17 mm直徑的鋼球。式(4)沖擊作用持續(xù)時間tc為75 μs,集中力最大值為100 N。對頂面中心8個單元施加半正弦沖擊載荷，載荷施加點與響應接收點之間的距離選為5 cm。

2.2 ABAQUS模擬沖擊響應測試方法

為研究沖擊法檢測預制混凝土橋梁套管灌漿缺陷的可行性和準確性，筆者設計10個不同縱向孔隙長度參數(shù)的預制混凝土橋梁模型(見表2)。對各套灌漿缺陷的長度采用ABAQUS模型模擬，得出混凝土橋墩套灌漿缺陷的效果。

表2 10種裝配式混凝土橋墩模型Table 2 Ten models of assembled concrete pier

模型內部設計缺陷類型為縱向全間隙缺陷，位置居中，缺陷長為L，測點均設置在灌漿全間隙的中點，套筒縱向灌漿缺陷如圖2所示。H測量線上從上到下的9個測量點為H-1、H-2、…、H-9(見圖3)。

圖2 套筒縱向灌漿缺陷示意圖Fig.2 Schematic diagram of longitudinal sleeve grouting defect

圖3 H各測點布置示意圖Fig.3 H layout of each measuring point

由于混凝土是不均勻介質，同一混凝土板在不同位置的波長不同。因此為了測量更準確的波速，在通道之間設置專門的測點進行波速測試。筆者對H型模型進行點分析，測點在腹股溝完全間隙中心，測點間距為50 mm。

3 模擬結果及分析

3.1 裝配式橋墩沖擊回波響應有限元模擬可行性

3.1.1 裝配式混凝土橋墩無缺陷特征

采用ABAQUS Explicit顯示動態(tài)分析法對灌漿模型A進行動力學分析。圖4為模型A的應力云圖。在278 μs時，由此出現(xiàn)的彈力波會沿著一定的方向穿過模型的外壁，直至492 μs，其傳播方向改變向下傳至底端，直至731 μs，波形已傳至最下端而導致波的返回。由式(1)可知，該種波在混凝土橋墩中的傳播速度是3 842 m/s，通過對模型規(guī)格數(shù)據(jù)的測量，其方向轉為傳向底部前需要傳播的距離是2 000 mm，由式(2)計算得出平臺模型底部彈性波傳播的時間為5.205 6×10-4s，與492μs板塊底部傳播時間的模擬值非常接近。

圖4 A模型彈性波不同時刻傳播應力云圖Fig.4 Model A stress image of elastic wave propagation at different times

圖5為模型A的信號圖。圖5(a)為模型信號實時狀態(tài)，可以得到時域信號。圖5(b)將時域信號轉變?yōu)轭l域信號，誤差最小頻率為f=0.975 6 kHz。實際頻率通過計算為f=0.922 1 kHz，接近模擬值f=0.975 6 kHz。因此，ABAQUS模擬的沖擊響應可檢測試驗厚度為2.0 m的無故障預制墩節(jié)點，模擬值與計算值的誤差為5.8%，且誤差小，易于操作。

圖5 A模型信號圖Fig.5 A Model signal diagram

3.1.2 有缺陷的裝配式混凝土橋墩沖擊響

對未灌漿模型J進行ABAQUS Explicit顯示動態(tài)分析。圖6為彈力波的動態(tài)傳播情況。該波由發(fā)射點傳至混凝土橋墩的缺陷位置需要24 μs，當53 μs時，波通過問題點向其他方向傳播，由此時傳至結構底端需要33 μs；該彈性波的能量只能足夠其傳播172 μs，通過動態(tài)圖中反映出此時的波并沒有傳至結構的底端。該種波在C40混凝土橋墩中的傳播速度是3 842 m/s，通過對模型規(guī)格數(shù)據(jù)的測量，混凝土橋梁模型在沖擊點處的缺陷厚度為100 mm。由式(2)計算缺陷彈性波傳播的時間t=0.1/3 842=2.603×10-5s，很接近模擬值24 μs。

圖6 J模型彈性波不同時刻傳播應力云圖Fig.6 Stress image of elastic wave propagation in J model at different time

圖7為J模型信號圖。圖7(a)是利用ABAQUS Explicit顯示動態(tài)分析得到時域信號。圖7(b)是圖7(a)中利用原點傅里葉變換將時域信號變換為頻域信號。

圖7 J模型信號圖Fig.7 J model signal graph

通過觀察頻率進行觀測，在通過底端后的波的頻率可達到最大值6.585 4 kHz。通過式(3)計算板厚頻率f=0.922 1 kH遠高于鋼板厚度。根據(jù)沖擊回波原理，波的反射情況和結構的深度有關，而模型結構中其厚度較深，因此反射后僅有30%多，在模型底端出現(xiàn)的波均在其底端，尚未實現(xiàn)反射，頻率向高頻的厚度方向偏移。深度反射可按(3)式計算：T=0.96×3 842/(2×6 585.4)=0.28 m，結果與圖7(b)中彈性波傳播結果一致。第2頻率f=19.756 1 kHz，為缺陷的反射頻率，根據(jù)式(3)缺陷密度頻率的計算值f=0.96×3 842/(2×1)，與19.751 kHz的模擬值相比，相差不大，誤差為7.13%。

因此，利用ABAQUS模擬的沖擊響應可以檢測出2.0 m厚的復組合墩和套筒灌漿的缺陷，ABAQUS模擬的厚度頻率基本與計算值一致，可以滿足無損檢測的需要。

3.2 套筒灌漿缺陷程度沖擊回波響應有限元模擬

分別測驗10 種模型，并記錄相應的結果，對其缺陷處的頻率和模型底部厚度的頻率進行記錄，表3為不同缺陷厚度頻率仿真結果。

表3 不同缺陷程度板底處厚度頻率仿真結果Table 3 Simulation results of thickness frequency at the bottom of the board with different degree of defects

從表3分析可知，在模型B的頻域信號中，缺陷處頻率相差無幾；在對模型C進行測驗后的頻率值和理論的頻率值誤差較大，而模型D到模型J的頻率模擬值基本與缺陷處厚度頻率一致，誤差為1.84%～8.74%。根據(jù)實際模型中缺陷點處的頻率和理論計算中應當?shù)念l率進行分析，發(fā)現(xiàn)運用沖擊回波對其進行檢測時，當可識別縱向缺陷程度達10%及其以上，則可以檢測為全空缺陷，其建立的模型中，模型C的誤差較大，不在結果分析內，當其問題為5%時，則該方法沒有效果。

因為混凝土橋墩的缺陷的地方相較于整個橋墩范圍較小，通常不超過1/3，所以當波傳至該處時通常會發(fā)生反射而不是衍射。而當波經(jīng)過缺陷處向底端傳播時，發(fā)生的衍射的波的頻率相對較高。

3.3 各測點沖擊回波響應有限元模擬

H模型是對各測點回波響應的有限元模擬。H模型針對0～240 mm、240～760 mm和760～1 000 mm的每個測點進行設計。表4為H模型中測量板底處厚度頻率仿真結果。

表4 H模型中測量板底處厚度頻率仿真結果Table 4 Simulation value of the thickness frequency at the bottom of the measured plate in the H model

由表4分析可知，H-1、H-2、H-8、H-9測點的誤差率無法測量，H-3、H-4、H-5、H-6、H-7的模擬誤差率值與計算值接近，誤差在1.84%～5.81%。H-8和H-9位于缺陷位置的末端，靠近灌漿缺陷和非缺陷位置的交界處，沖擊法的檢測結果受缺陷末端的強烈影響，0～100 mm的缺陷末端不能檢測到缺陷。因此，沖擊回波法定量檢測套管內注漿缺陷長度存在一定誤差。

4 結 論

(1)厚度頻率用于準確識別縱向缺陷長度大于20%套筒長度的全空缺陷，對于縱向缺陷長度為10%套筒長度的全空缺陷，誤差較大，全空氣缺陷長度為套筒長度的5%。

(2)厚度頻率在缺陷末端0～100 mm內無法識別缺陷，但可以準確識別缺陷中間范圍。

(3)通過有限元軟件ABAQUS/Explicit模擬沖擊回波法檢測裝配式混凝土橋墩內部缺陷的方法精確可靠，能夠滿足理論分析計算精度及工程實際誤差需要。